蔣志榮，陳 辰

（榮業(yè)軟件人工智能實驗室，長沙 410001）

全球生產(chǎn)智能化發(fā)展風起云涌，中國作為城鎮(zhèn)化比例接近45%且仍在持續(xù)城鎮(zhèn)化的人口大國，“藏糧于技”已成為國策，處于農(nóng)頭工尾的糧食加工業(yè)承擔著時代賦予的重任：降低加工損耗，滿足消費升級。為此，政府倡導“杜絕過度加工，轉(zhuǎn)型適度加工”，并修改了大米國家質(zhì)量標準。

1 需求的產(chǎn)生

我國的糧食加工業(yè)有著先天不足，①實際生產(chǎn)中，絕大多數(shù)的中小企業(yè)，糧食的適度加工因技術(shù)上的障礙而難以落地；②加工過程中，由于缺少在線的實時質(zhì)量檢測，加工的精度不好掌控，直接導致過度加工；③生產(chǎn)一線工作環(huán)境惡劣，勞動強度大，后繼乏人；④從業(yè)人員文化素質(zhì)與技術(shù)素養(yǎng)偏低，不能適應智能化時代要求。顯然新時代賦予的使命與糧食加工業(yè)的先天不足存在著巨大反差。

為了解決這一核心矛盾，行業(yè)內(nèi)不少有使命感的企業(yè)與有識之士做出了許多努力與創(chuàng)新：為了減輕工人勞動強度，改善工作環(huán)境，創(chuàng)新了基于PLC的可在局域網(wǎng)或遠程啟動與關停設備，并查看工作電流以了解設備工作狀態(tài)的自動化控制系統(tǒng)；在重要工序提升設備的數(shù)字化能力，創(chuàng)新了可變頻的“無人值守礱谷機”；為了彌補基層工人技術(shù)能力的不足，更是創(chuàng)新出了具有遠程操控與管理維護能力的“云色選”，等等......。

然而，面對糧食加工業(yè)使命與能力的巨大差距，這些努力與創(chuàng)新并沒能從本質(zhì)上解決這一核心矛盾。

1.1 不能實現(xiàn)智能控制中決定性的在線閉環(huán)

根據(jù)實時加工工藝效果，來反饋調(diào)制生產(chǎn)設備控制元素。任何形式的生產(chǎn)，工藝與產(chǎn)量才是加工的核心目標與唯一目的，在保證產(chǎn)量的前提下，每一個環(huán)節(jié)、每一道工序、每一臺設備的加工工藝效果，必需是唯一的設備調(diào)控依據(jù)。

1.2 控制環(huán)節(jié)孤立且單一

糧食加工的生產(chǎn)過程是一個系統(tǒng)工程，各道工序的設備應有機配合，相互通信，單一環(huán)節(jié)的智能化或無人化，對于整個生產(chǎn)無異于杯水車薪。

1.3 控制參數(shù)單一

設備調(diào)控，除了決定性的依據(jù)——在線工藝檢測進行閉環(huán)控制之外，設備本身控制元素的數(shù)字化與網(wǎng)絡化亦屬關鍵要素，遠程開關機只是最基本的元素，起不到調(diào)制設備的作用，僅僅根據(jù)電流也無法形成控制決策，否則就是盲目控制，工藝效果無法得到保證，加工品質(zhì)就無從談起。

2 需求的確立

以上這些問題的出現(xiàn)，對糧食加工的智能化生產(chǎn)提出了具體要求：

2.1 實用

智能系統(tǒng)控制的邏輯必需是科學的，控制的依據(jù)必需是客觀的，控制的節(jié)奏必須是實時的，控制的手段必需是柔性的。

控制邏輯的科學性，要求智能控制必需是在線多環(huán)閉合控制，它不僅需要設備各控制元素的在線閉環(huán)，更為重要的是需要工藝效果與設備調(diào)控的在線閉環(huán)。因此，在控制邏輯上，稻米加工的智能化生產(chǎn)必須建立在加工效果在線工藝檢測的基礎上。

控制依據(jù)的客觀性則要求設備各控制元素的信息感知是可靠的，處理信息的算法是科學的，尤其要求在線工藝檢測必須準確和實時。

控制節(jié)奏的實時性，要求控制閉環(huán)是在線的，也就進一步要求在線檢測系統(tǒng)與生產(chǎn)設備、生產(chǎn)設備與生產(chǎn)設備之間具有毫秒級的通信能力。因此，車間內(nèi)的各生產(chǎn)節(jié)點、各在線檢測機器人必需是聯(lián)網(wǎng)的。

控制手段的柔性化則要求智能控制必需是以在線工藝檢測為核心基礎的精細化調(diào)制：礱谷機淌板始終對準兩膠輥間，輥壓以100 Pa的精度調(diào)節(jié)，電流的瞬間波動控制在0.1 A以內(nèi)等等。

2.2 適用

智能化生產(chǎn)最終的落地，必須適應糧食加工的各種復雜現(xiàn)場環(huán)境，并能從兩個方面顯著改善目前加工行業(yè)現(xiàn)狀：極大程度降低損耗，顯著提高得米率；滿足大米適度加工需求，提高品質(zhì)，促進大米消費升級。

2.3 好用

不僅促進行業(yè)人員的技術(shù)能力升級，而且在當前行業(yè)一線生產(chǎn)工作人員技術(shù)素質(zhì)偏低的條件下，妥善解決智能系統(tǒng)的操作、管理及維護的問題。

滿足這些需求的唯一實現(xiàn)手段是：以稻米加工智能工廠為基礎，構(gòu)建基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的稻米智能加工共享平臺。

3 平臺的構(gòu)建

平臺構(gòu)建以“稻米加工智能工廠”為單元，一個單元即為一家稻米加工企業(yè)，其本身已實現(xiàn)了智能化生產(chǎn)，其中包括稻米加工效果在線工藝檢測系統(tǒng)、車間內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工廠內(nèi)部云平臺、傳統(tǒng)生產(chǎn)設備的智能化改造與升級、設備的智能化控制（相關文章請參閱本刊2019年“人工智能+糧食加工”專欄，全年六期共六篇文章）。

（1）通過稻米加工車間內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將稻米加工生產(chǎn)線上的去石機、礱谷機、碾米機、色選機、拋光機、配米秤等生產(chǎn)設備與稻米加工在線工藝檢測系統(tǒng)連結(jié)成工廠內(nèi)生產(chǎn)局域網(wǎng)；再通過生產(chǎn)局域網(wǎng)將設備的運行傳感信息與各道工序的加工工藝效果檢測數(shù)據(jù)傳送至工廠內(nèi)智能控制平臺服務器，即工廠的“內(nèi)部云服務器”；內(nèi)部云服務器通過有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡或者5G網(wǎng)絡與公網(wǎng)連接，并在邊界架設VPN加密客戶端，其拓撲圖如下：

圖1 生產(chǎn)局域網(wǎng)拓撲圖

工廠內(nèi)部云服務器從各道工序的加工設備上獲取設備的運行信息，這些信息是實時的，包括：礱谷機的兩輥線速度及線速度差、輥壓、下料淌板與膠輥外切線距離差、礱谷機的工作電流、入料流量；碾米機的入料流量、碾米機工作電流、碾米機碾米室壓力；拋光機的工作電流、拋光室的壓力、拋光室的濕度及入料流量等。

工廠內(nèi)部云服務器從在線工藝檢測機器人獲取各道工序的加工工藝數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是實時的，包括清雜去石工序，去石效果、副產(chǎn)品的帶出率；礱谷工序，脫殼率、碎糙米率、未熟粒率及凈糙米中含谷率；碾米工序，各道碾米的達標率、過碾率、碾米不足率、碎米率、小碎米率、碾減率、留皮率及留胚率；色選工序，黃粒米率、病斑率、堊白率、重度堊白率、留皮率、留胚率及帶出率；拋光工序，碎米率、拋光達標率、拋光不達標率及過拋率；成品工序，留胚率、留皮率、黃粒米率、病斑率、碎米率、小碎米率、堊白率及重度堊白率等。

（2）構(gòu)建稻米加工遠程生產(chǎn)操作與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：在公網(wǎng)上架設中心管理服務器，通過中心端VPN經(jīng)各工廠客戶端VPN與各稻米加工工廠內(nèi)部云服務器連通，智能終端則通過軟件VPN經(jīng)中心端VPN與中心管理服務器連通，通過VPN加密處理，所有聯(lián)入系統(tǒng)的各稻米加工企業(yè)、中心管理服務器、各智能終端組成一張?zhí)摂M專網(wǎng)，其拓撲圖如下：

（3）中心管理服務器對所有虛擬專網(wǎng)內(nèi)設備和通信進行管理，包括各工廠內(nèi)部云服務器與各智能終端的標識、標識管理與存儲、標識解析以及通信轉(zhuǎn)發(fā)，但中心管理服務器并不存儲工廠內(nèi)生產(chǎn)設備的運行信息與在線工藝檢測數(shù)據(jù)。

圖2 遠程生產(chǎn)操作及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)拓撲圖

每個稻米加工企業(yè)的內(nèi)部云服務器的主板、網(wǎng)卡、硬盤的序列號均通過散列函數(shù)加密方式存儲在中心管理服務器，每臺智能終端（包括平板電腦、智能手機、PC）的序列號與標識碼也通過散列函數(shù)加密方式存儲在中心管理服務器，每臺內(nèi)部云服務器與智能終端標識信息均通過手工方式在中心管理服務器上添加，中心管理服務器不支持自動添加方式。稻米加工企業(yè)內(nèi)部云服務器啟動工作時，自動向中心管理服務器發(fā)出連接請求，請求信息中包含本設備的標識數(shù)據(jù)，連接信息經(jīng)VPN加解密認證通過，中心管理服務器從存儲列表提取信息與連接請求信息進行比對，經(jīng)確認后建立連接。

同樣地，智能終端啟動工作時，遵循以上方式與中心管理服務器建立通信連接。每臺智能終端與所需連接的稻米加工企業(yè)內(nèi)部云服務器之間為一一對應關系，即“一工廠”的智能終端只能與“一工廠”的內(nèi)部云服務器建立通信，但不能與“二工廠”或者其它工廠的內(nèi)部云服務器建立通信連接。

（4）稻米加工企業(yè)內(nèi)部云服務器與對應的智能終端在經(jīng)過認證并連入VPN專網(wǎng)后，智能終端與工廠內(nèi)部云服務器之間建立通信，兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸均經(jīng)過對稱加密，而對稱加密的密鑰則經(jīng)非對稱加密以數(shù)字信封送達。

（5）智能終端從工廠內(nèi)部云服務器上獲取工廠內(nèi)生產(chǎn)設備運行信息與在線工藝檢測數(shù)據(jù)，并生成相應的趨勢圖，這些趨勢圖分工序產(chǎn)生，并將對應的設備運行各參數(shù)趨勢圖與加工工藝檢測各參數(shù)趨勢圖進行比較：

①依據(jù)在線工藝檢測數(shù)據(jù)，遠程調(diào)制對應工序設備的相應控制元素；②依據(jù)在線工藝檢測數(shù)據(jù)趨勢圖與設備運行參數(shù)趨勢圖對比，可以判斷來料水分、分級變化情況，并做出相應的設備調(diào)制；③依據(jù)在線工藝檢測數(shù)據(jù)趨勢圖與設備運行參數(shù)趨勢圖對比可以判斷設備工作性能與是否存在故障情況，并采取相應措施。

4 應用舉例

平板電腦P充當智能終端，其訪問權(quán)限對應于稻米加工企業(yè)A的內(nèi)部云服務器Af，通過VPN與中心管理服務器認證之后，P與Af建立連接并通信，P從Af上獲取A的最末道（終碾）碾米機（不局限于某一道碾米，更不局限于某一道加工工序）碾米室壓力、入料流量、工作電流等實時運行數(shù)據(jù)；并且，P從Af上獲取A的終碾的留胚率、留皮率、碎米率、達標率、碾減率等在線工藝檢測數(shù)據(jù)；并生成運行參數(shù)與工藝參數(shù)的趨勢對比圖：

（1）當各參數(shù)趨勢圖類似于圖3、圖4、圖5、圖6般平穩(wěn)，則表明終碾工序碾米機工作正常，加工工藝正常。

（2）當圖3、圖4、圖6如上平穩(wěn)，圖5曲線明顯下降，則表明來料水分升高，碾米室壓力需要調(diào)整（增加），在P的界面上遠程調(diào)節(jié)A的終碾碾米機的碾米室壓力，以保證終碾目標精度。

（3）當圖3、圖4、圖5如上平穩(wěn)，圖6曲線明顯向上，則表明來料分級，粒型發(fā)生變化，碎米增多，但無需調(diào)整設備。

（4）當圖4如上平穩(wěn)，圖3曲線明顯向上，圖5曲線略有向上，圖6曲線明顯向上，則表明碾米機米刀需要調(diào)整。

（5）當在P界面上遠程主動調(diào)整A的終碾碾米機控制參數(shù)后，圖3、圖4、圖6均明顯向上，而圖5向上趨勢不明顯，則表明碾米機砂輥需要更換。

圖3 碾米室壓力

圖4 電流值

圖5 留皮率或留胚率

圖6 A2碎米率趨勢圖

（6）此外，P可以從Af獲取A任何一道工序在線檢測樣本原始圖像。

其它工序、其它設備與此類同，平板電腦充當智能終端時的管理界面如圖7。

圖7 平板電腦充當智能終端時的管理界面

5 意義與價值

稻米加工智能工廠能帶來廣大中小加工企業(yè)的生產(chǎn)力的提高與經(jīng)濟效益的提升，降低加工損耗，減少加工浪費，顯著增加得米率；促成適度加工落地，提升加工品質(zhì)，適應消費升級；基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的稻米智能加工平臺就是一個資源共享、技術(shù)共享、信息共享、市場共享的大數(shù)據(jù)整合共享平臺，它會促使智能工廠實現(xiàn)對行業(yè)生產(chǎn)力的提升：

（1）實現(xiàn)真正的無人工廠（僅需設備維修工人），解決后備勞動力嚴重不足問題，使行業(yè)獲得可持續(xù)發(fā)展能力。

（2）擺脫企業(yè)因人員的流動帶來的生產(chǎn)不穩(wěn)定因素，智能系統(tǒng)會找到設備的最佳工作狀態(tài)，并完成生產(chǎn)的精準閉環(huán)控制。

（3）解決當前加工企業(yè)一線人員對智能系統(tǒng)的操作使用、維護與管理方面技術(shù)能力的不足，并促成行業(yè)勞動力結(jié)構(gòu)升級。

（4）平臺大數(shù)據(jù)可直接反映當年各地、各品種的加工屬性，并不斷優(yōu)化各品種加工工藝。

（5）在平臺上，加工企業(yè)即可獲得技術(shù)共享，更可以解決自身創(chuàng)新能力不足的問題。

（6）走進平臺，就相當于加入到智能時代的技術(shù)聯(lián)盟，加工企業(yè)獲得相對于同行的巨大競爭優(yōu)勢。

進一步將平臺延伸至to C或與to C平臺對接時，即實現(xiàn)完整的稻米加工“智能制造”：消費者或大客戶通過to C平臺下單，加工企業(yè)最終完成“按單生產(chǎn)”向“按需生產(chǎn)”轉(zhuǎn)換，而這個流程則是全智能化流程。